전고체 리튬이차전지용 양극활물질 LixCoO2의 Co에 대한 Ni의 부분치환 효과 및 전기화학적 특성 평가

Abstract

IT 기기의 이동전원 뿐만 아니라 전기자동차 전지에 이르기까지 다양한 분야에서 널리 사용되고 있는 리튬 이온 이차전지는 전기를 저장하는 매개체로 가장 가벼운 금속인 리튬이온을 사용하기 때문에 무게당, 부피당 에너지 밀도가 다른 이차전지에 비해 매우 우수하다. 그러나 상용화된 리튬 이차전지에 사용되어지는 액체전해질의 경우 고온이나 외부 충격에 매우 취약하여 자칫 잘못하면 폭발의 위험성이 매우 크다. 현재 기존의 상용화된 액체전해질을 고체전해질로 대체함으로써 액체전해질이 갖고 있는 안정성 문제를 해결하려는 노력이 이루어지고 있다. 액체전해질 대신 고체전해질을 사용하여 전지를 제작할 경우 고온·고압이나 외부 충격이 있는 등의 극한의 환경에서도 특성 열화가 상대적으로 적으며, 높은 전기화학적 안전성 및 이온 전도도를 갖기 때문에 기존 액체전해질 전지에서는 사용에 제한이 있었던 고전압 양극을 적용시킬 수 있으므로 이차전지의 에너지 밀도 향상을 기대할 수가 있다. 전고체 리튬 이차전지는 이러한 많은 장점들을 가지고 있어 중대형 리튬 이차 전지를 이끌어 갈 차세대 전지로 부각되고 있다. 본 연구에서는 고용량 전고상전지를 개발하기 위한 기초연구로써 황화물계 고체전해질인 Li2S-P2S5 glass-ceramics 을 기반으로 전고상 셀을 제조 하였으며, 활물질 치환 합성을 통해 기존 상용활물질 lithium cobalt oxide(LiCoO2)를 사용하였을 때보다 초기 충·방전 용량 증대 측면에서 셀 특성을 향상시켰다. 치환시킬 천이금속 물질로 Ni을 사용하였으며, 수계용매를 사용한 고상합성법을 통해 해당 양극활물질을 합성한 후, 천이금속 물질 조성 및 첨가량에 따른 전기화학적 특성 평가를 실시하였다. 치환 공정의 최적화를 위해 LiyNixCo1-xO2 의 Li 조성을 1.2로 고정시킨 후 치환 천이금속 량을 변화시키며 LiCoO2 양극의 특성을 분석한 결과 Ni 치환량 0.02인 경우인 Li1.2Ni0.02Co0.98O2 일 때가 가장 높은 초기 방전 용량 (118 mAh/g)을 나타내었으며, 이는 기존의 Li1.2CoO2 의 경우에 초기 방전 용량이 100 mAh/g 정도 나타난 것에 비해 18% 정도 초기 방전 용량 개선 효과를 보였다. 분극 및 Charge-transfer 저항의 경우 역시 Ni 함량이 0.02인 Li1.2Ni0.02Co0.98O2 에서 기존 Li1.2CoO2 에 비해 리튬 이온의 삽입과 탈리가 용이하여 분극현상이 줄어듦에 따라 최대 18% 정도의 Charge-transfer 저항이 감소되는 것을 확인하였다. 본 연구를 통하여, Li1.2CoO2 에 Ni을 치환할 경우 양극 활물질의 성능 개선에 효과적으로 작용하여 전고상 리튬 이온전지의 특성 향상에 기여할 수 있었으며, 차후 전고상 리튬 이온전지의 상용화 가능성을 확인할 수 있었다.